CN101950659B

CN101950659B - 一种气动与感应混合供能的有源光电电流互感器

Info

Publication number: CN101950659B
Application number: CN2010102814025A
Authority: CN
Inventors: 何文林; 何月; 高乃奎; 刘晓辉
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: CN101950659A

Abstract

本发明公开了一种气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，包括一个混合供电系统，一个电流测量系统。混合供电系统以一次电流感应供电为主，当感应能量不足时用气动供能实行后备供电。感应供电由取能线圈从一次电流母线感应获取供电能量，由一次感应电源进行转换处理。后备供电用电动压气机驱动SF₆气体在双层空心绝缘子内部循环流动，驱动气动发电机发电，发电机的输出由气动传能电源进行转换处理。电动压气机的驱动电源从电流测量系统的二次处理子系统获取母线电流信息，判断感应供电能量大小，控制驱动电动压气机进行后备供电，实现主后备供电的选择和切换。气动传能电源和一次感应电源都通过储能电源储能和对电流测量和光电信息传输系统供电。

Description

一种气动与感应混合供能的有源光电电流互感器

技术领域

本发明涉及一种有源光电式电流互感器。

背景技术

智能电网中的电能计量、安全保护、电量调度等方面都需要电流互感器获取信息资源，电流互感器在电力系统中起着十分重要的作用，是智能电网的一个核心设备。随着智能电网的快速发展，特别是超高压输电的发展，电力系统对电流互感器的要求越来越高，传统的电磁式电流互感器由于存在频率响应低、高压绝缘能力差、铁磁饱和、长期运行的可靠性差等多种因素，已经无法满足电力系统和智能电网的发展要求。电力系统和智能电网的快速发展迫切需要开发具有高压绝缘能力强、频率范围宽、线性性能良好的新型电流互感器。光电电流互感器OCT具有测量精度高、动态范围大、频率响应范围宽、抗电磁干扰性能好；而且价格便宜，体积小重量轻，还具有与智能数字设备的统一接口标准。在智能电网中具有广泛的应用前景，已逐渐成为未来高压电流互感器发展的主要潮流。

光电电流互感器主要有两大类型，一类是纯光学电流互感器(无源光电互感器)，另一类是光电混合式电流互感器(有源光电互感器)。纯光学电流互感器的性能受环境温度和震动等因素的影响很大，长期使用是其性能的稳定性差，困扰着实用化的发展，目前还没有进入产业化；有源光电电流互感器一般使用低功耗电流互感器(LPCT)或者Rogowski线圈做为电流测量的传感器，利用电磁感应测量原理测量电流，利用光纤通信技术传输电流测量信息，克服了无源光电电流互感器的稳定性差的技术难题。有源光电电流互感器良好的长期稳定性和精确的测量精度使其得到了快速发展，目前已经进入了实用阶段。但有源光电电流互感器高压侧的电流测量、数据处理和光电信息传输系统等需要供电电源，供电电源是困扰有源光电电流互感器发展的主要技术难题。

有源光电电流互感器的供电电源目前主要有“一次电流电磁感应供电”、“激光供能供电”、“气动供能供电”和“超声波供能供电”等供电方式。“超声波供能供电”供电能量充足，能满足供电能量的要求，但长期连续工作的可靠性还不能满足电力系统的最高要求。“一次电流电磁感应供电”在一次电流比较小时存在供电能不足和供电不稳定，而且会形成无法工作的“供电死区”；激光供能供电虽然供电能量稳定，能很好的满足供电的稳定性要求，但供电能量比较小，对测量和光电传输系统的节能和抗干扰要求很高，长期运行的性能劣变和寿命也不能满足电力系统的要求，而且价格太贵；“气动供能供电”供电能量稳定，但长期连续工作对设备运动部件的磨损影响其使用受命。

发明内容

针对有源光电电流互感器高电压侧供能供电所存在的问题，本发明提供了一种气动与感应混合方式供能的有源光电电流互感器，以一次母线电流电磁感应供电为主，当感应供电的能量不足时利用气动供能实行后备供电，这样能很好的进行性能互补，可克服一次电流电磁感应供能供电存在的“供电死区”和气动供能供电长期运行造成的设备运动部件的磨损等缺陷。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，包括一个混合供电系统、一个电流测量系统；所述混合供电系统包括一次电流感应供电子系统、储能电源单元和气动后备供电子系统；

所述气动后备供电子系统包括低压侧的驱动电源单元、高压侧的与储能电源单元相连接的气动传能电源处理单元、连接在驱动电源单元和气动传能电源处理单元之间的气动供电单元；驱动电源单元的控制输入连接电流测量系统中的二次处理系统的输出，获取一次母线电流信息，并判断感应供电的能量大小，用以控制驱动气动供电单元进行后备供电，实现主后备供电的选择和切换；气动传能电源处理单元和一次电流感应供电子系统都电连接储能电源单元，通过储能电源完成储能并对电流测量系统中的电流测量和光电信息传输单元供电；

所述电流测量系统包括光纤、从一次母线获取电流测量信息并与电流测量和光电信息传输单元电连接的一个低功耗电流互感器或者Rogowski线圈，电流测量和光电信息传输单元对电流测量信息进行处理和电光转换，并通过光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧的一个二次处理系统，二次处理系统通过光电转换和处理还原电流信息，实现对高压电流的测量。

上述方案中，所述的一次电流感应供电子系统包括一次感应电源处理单元及与其连接的取能线圈，取能线圈从一次电流母线通过电磁感应获取供电能量，一次感应电源处理单元把感应的交流电能转换为直流电能供给储能电源单元。所述取能线圈的一次为电流母线穿心结构，二次有两个电磁感应线圈，一个为感应供电线圈，另一个为感应能量控制线圈；感应供电线圈和感应能量控制线圈都电连接一次感应电源处理单元，该单元监控感应供电线圈获取的供电电压大小，依据电压大小判断控制感应能量控制线圈的导通与断开，控制取能线圈中的感应供电线圈获取的供电能量大小。一次感应电源处理单元把感应供电线圈获取的交流电通过AC-DC电源变换器变换成直流电对电流测量和光电信息传输单元供电。

所述气动供电单元包括一个由内空心绝缘管、外空心绝缘管沿轴心套装在一起的双层空心绝缘子，该双层空心绝缘子的两端分别由法兰密封固定有低压侧的电动压气机、高压侧的气动发电机，电动压气机电连接驱动电源单元；气动发电机电连接气动传能电源处理单元，内、外空心绝缘管中充有SF6气体，利用气体循环流动从低电压侧向高电压侧传输能量，实现气动供电。

所述的驱动电源单元包括一个电机驱动电源和一个电源控制器，电机驱动电源与气动供电单元的电动压气机相连，电源控制器与低电压侧的电流测量系统的二次处理系统相连，从电流测量系统的二次处理系统获取一次母线电流信息，并判断感应供电的能量大小，控制驱动电动压气机进行后备供电，实现主后备供电的选择和切换。

所述的气动传能电源处理单元包括变压器和整流滤波电路，气动供电单元的气动发电机连接变压器的输入，变压器的输出连接整流滤波电路，把气动发电机产生的交流电转换成直流电，供给储能电源单元。

所述的储能电源包括一个储能电容、一个DC-DC转换稳压器、分别与一次感应电源处理单元、气动传能电源处理单元的输出连接的两个单向二极管或门；DC-DC转换稳压器输出稳定的直流电压对电流测量和光电信息传输单元供电。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)不受高压侧一次母线电流大小的限制，克服了一次电流感应供电的“供电死区”，能提供十分稳定和连续的供电能量。

2)供电能量稳定，能提供比较大的供电能量，对电流测量和光电信息传输系统的节能要求低，可以增强电流测量和光电信息传输系统的信号强度，提高了互感器的抗干扰能力。

3)供电系统采用以一次电流感应供电为主，当感应电量不足时用气动供能实行后备供电的主备用工作方式，提高了供电系统的长期工作的可靠性和稳定性。

5)利用低功耗电流互感器(LPCT)或者Rogowski线圈测量电流，避免了环境温度和振动等因素对互感器长期工作的稳定性影响，提高了互感器的测量精确度和长期工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明气动与感应混合供能的有源光电电流互感器结构框图。

图2为图1中的一次电流感应供电子系统结构框图。

图3为图1中的气动供电单元的结构框图。图中：1、发电机；2、气动发电机；3、固定密封法兰；4、内绝缘空心管；5、外绝缘空心管；6、电动压气机；7、电动机；8、9、气动叶轮。

图4为图1中的气动供电单元的驱动电源的结构框图。

图5为图1中的气动传能电源处理单元的结构框图。

图6为图1中的储能电源单元的结构原理图。

图7为图1中的电流测量及光电信息传输单元的一种功能结构框图。

图8为图1中的电流测量系统的“二次处理子系统”的一种功能结构框图。

图9为图1中的电流测量及光电信息传输单元的另一种功能结构框图。

图10为图1中的电流测量系统的“二次处理子系统”的另一种功能结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

参考图1，一种气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，包括一个基于气动后备供能和一次电流电磁感应供能的混合供电系统，一个基于低功耗电流互感器(LPCT)或者Rogowski线圈的电流测量和光电信息传输的电流测量系统。

混合供电系统以一次电流感应供电为主，当感应供电的能量不足时利用气动供能实行后备供电。一次电流感应供电子系统由取能线圈和一次感应电源处理单元组成，利用取能线圈从一次电流母线通过电磁感应获取供电能量，取能线圈电连接一次感应电源处理单元，该单元把感应的交流电能转换为直流电能供给储能电源。气动传能的后备供电子系统由驱动电源单元、气动供电单元、气动传能电源处理单元组成。而气动供电单元由电动压气机、气动发电机和双层空心绝缘子组成，电动压气机和气动发电机分别安装在双层空心绝缘子的低电压侧和高电压侧，设置在低电压侧的驱动电源单元控制电动压气机运行，用电动压气机的气动叶轮驱动气体沿双层空心绝缘子的内部(内外管道)循环运动，把气动能量从低电压侧传输到高电压侧的气动发电机的气动叶轮，气动发电机的气动叶轮驱动气动发电机运行发电，气动发电机的输出电连接一个气动传能电源处理单元，气动发电机发出的电能由气动传能电源处理单元转换为直流电能供给储能电源。

电动压气机的驱动电源从电流测量系统的低电压侧的二次处理系统获取一次母线电流信息，利用母线电流信息判断感应供电的能量大小，当判知感应供电的能量不足时，控制驱动气动供电单元的电动压气机进行后备供电，实现主后备供电的选择和切换。气动传能电源和一次感应电源处理机单元都电连接储能电源，储能电源连接电流测量和光电信息传输单元，通过储能电源完成储能和对有源光电电流互感器的电流测量和光电信息传输单元供电。

电流测量系统利用低功耗电流互感器(LPCT)或者Rogowski线圈从一次母线获取电流测量信息，对电流测量信息进行处理和电光转换，利用光纤通信技术通过光纤把测量信息传送到低电压侧的二次处理系统，该二次处理系统通过信息处理、还原，获得一次母线的电流信息，实现对高压电流的测量。

参考图2，一次电流感应(供能)供电子系统由取能线圈和一次感应电源处理单元组成，利用取能线圈从一次电流母线电磁感应获取供电能量，取能线圈电连接一次感应电源处理单元，该处理单元把取能线圈感应的交流电能转换为直流电能供给储能电源。

取能线圈的一次为电流母线穿心结构，二次有2个电磁感应线圈，一个为感应供电线圈，另一个为感应能量控制线圈。用感应供电线圈通过电磁感应获取供电能量，用感应能量控制线圈调节和控制感应供电线圈通过电磁感应获取的供电能量大小。感应供电线圈和感应能量控制线圈都电连接一次感应电源处理单元，一次感应电源处理单元监控感应供电线圈获取的供电电压大小，依据电压大小进行判断，控制感应能量控制线圈的导通与断开，控制取能线圈中的感应供电线圈获取的供电能量大小。感应能量控制线圈电连接一次感应电源处理单元中的固态继电器开关电路，固态继电器开关电路的导通或断开由感应能量控制模块控制，感应能量控制模块通过取能线圈中的感应供电线圈获取的供电电压大小，判断感应供电线圈获取的能量大小，控制固态继电器开关电路的开断，从而控制感应能量控制线圈短路导通或开路断开，控制取能线圈中的感应供电线圈所获取的供电能量大小。

参考图3，气动传能的后备供电子系统中的气动供电单元主要由电动压气机6(低压侧)、气动发电机2(高压侧)、双层空心绝缘子及固定法兰3等组成，双层空心绝缘子是由内空心绝缘管4、外空心绝缘管5沿同轴线套装在一起，电动压气机、气动发电机分别安装在绝缘管的低端和顶端，电动压气机是由电动机7和气动叶轮8组成，电动机驱动气动叶轮，气动叶轮压迫驱动SF6气体运动；气动发电机2是由发电机1和气动叶轮9组成，气动能量压迫驱动气动叶轮9，气动叶轮驱动发电机1运动发电。

内外空心绝缘管4及电动压气机和气动发电机都用两端头部的法兰固定和密封，内充SF6气体，形成一个完整的气动供电单元。利用气体循环流动传输能量，实现以电气绝缘方式传输能量供电。

参考图4，所述的气动供电的驱动电源单元包括一个电动机驱动电源和一个电源控制模块。电动机驱动电源模块与气动(传能)供电单元的电动压气机的电动机相连，用于驱动电动压气机，压迫驱动气体沿双层空心绝缘子的内部进行循环运动，电动机驱动电源模块的工作状态由电源控制模块控制。电源控制模块与电流测量系统的低电压侧的二次处理系统相连，从电流测量的二次处理系统获取一次母线电流信息，利用一次母线电流信息判断感应供电的能量大小，当判知感应供电的能量不足时，电源控制模块就发出控制信号，控制电动机驱动电源模块进入工作状态，驱动气动供电单元的电动压气机产生气动能量进行后备供电。

参考图5，所述的气动传能电源处理单元由与气动发电机相连的变压器和整流滤波电路等组成。该单元把气动供能的后备供电产生的交流电转换成直流电，供给储能电源。

参考图6，储能电源由单向二极管或门、储能电容、DC-DC变换稳压器组成，气动供能的后备供电的气动传能电源处理单元和一次电流感应供电的一次感应电源处理单元都电连接储能电源，通过电容储能和DC-DC变换稳压实现对光电互感器的电流测量与光电信息传输系统无故障连续供电。

参考图7和图8，电流测量系统的实现方法之一是：把电流测量获取的电流信息经过采样和(A/D)模/数变换转换成数字信号，对数字信号进行数据处理和编码，再经过电/光变换转换为光信息，用光纤发送到低电压侧的二次处理系统。二次处理系统接收光信息，把光信息转换成电信号，再进行解码和数据处理获得代表电流量的数字信号；把数字信号进行D/A转换获得代表电流量的模拟电压信号。

图7和图8中的数据处理部分可以采用FPGA、CPLD、DSP等嵌入式数据处理器实现。

参考图9和图10，电流测量系统的实现方法之二是：把电流测量获取的电流信息经过(V/F)电压/频率变换转换成频率信息，频率信息再转换为光信息，用光纤发送到低电压侧的二次处理系统。二次处理系统接收光信息，把光信息转换成电信号，再把频率信号进行(F/V)频率/电压变换获得代表电流量的模拟电压信号，把频率信号进行(F/D)频率/数据变换获得代表电流量的数字式信号。

Claims

1.一种气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，其特征在于，包括一个混合供电系统、一个电流测量系统；所述混合供电系统包括一次电流感应供电子系统、储能电源单元和气动后备供电子系统；

所述电流测量系统包括光纤、从一次母线获取电流测量信息并与电流测量和光电信息传输单元电连接的一个低功耗电流互感器或者Rogowski线圈，电流测量和光电传输单元对电流测量信息进行处理和电光转换，并通过光纤把测量信息从高压侧传送到低压侧的一个二次处理系统，二次处理系统通过光电转换和处理还原电流信息，实现对高压电流的测量。

2.如权利要求1所述的气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，其特征在于，所述的一次电流感应供电子系统包括一次感应电源处理单元及与其连接的取能线圈，取能线圈从一次电流母线通过电磁感应获取供电能量，一次感应电源处理单元把感应的交流电能转换为直流电能供给储能电源单元。

3.如权利要求2所述的气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，其特征在于，所述取能线圈的一次为电流母线穿心结构，二次有两个电磁感应线圈，一个为感应供电线圈，另一个为感应能量控制线圈；感应供电线圈和感应能量控制线圈都电连接一次感应电源处理单元，该单元监控感应供电线圈获取的供电电压大小，依据电压大小判断控制感应能量控制线圈的导通与断开，控制取能线圈的感应供电线圈获取的供电能量大小；一次感应电源处理单元把感应供电线圈获取的交流电通过AC-DC电源变换器变换成直流电对电流测量和光电信息传输单元供电。

4.如权利要求1所述的气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，其特征在于，所述气动供电单元包括一个由内空心绝缘管、外空心绝缘管沿轴心套装在一起的双层空心绝缘子，该双层空心绝缘子的两端分别由法兰密封固定有低压侧的电动压气机、高压侧的气动发电机，电动压气机电连接驱动电源单元；气动发电机电连接气动传能电源处理单元，内、外空心绝缘管中充有SF6气体，利用气体循环流动从低电压侧向高电压侧传输能量，实现气动供电。

5.如权利要求1所述的气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，其特征在于，所述的驱动电源单元包括一个电机驱动电源和一个电源控制器，电机驱动电源与气动供电单元的电动压气机相连，电源控制器与低电压侧的电流测量系统的二次处理系统相连，从电流测量系统的二次处理系统获取一次母线电流信息，并判断感应供电的能量大小，控制驱动电动压气机进行后备供电，实现主后备供电的选择和切换。

6.如权利要求1所述的气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，其特征在于，所述的气动传能电源处理单元包括变压器和整流滤波电路，气动供电单元的气动发电机连接变压器的输入，变压器的输出连接整流滤波电路，把气动发电机产生的交流电转换成直流电，供给储能电源单元。

7.如权利要求1所述的气动与感应混合供能的有源光电电流互感器，其特征在于，所述的储能电源包括一个储能电容、一个DC-DC转换稳压器、分别与一次感应电源处理单元、气动传能电源处理单元的输出连接的两个单向二极管或门；DC-DC转换稳压器输出稳定的直流电压对电流测量和光电信息传输单元供电。